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Erdverlegte Rohre, einschließlich Stromleitungen

Freileitungen eines lokalen Stromnetzes in Österreich

EIN Stromleitung Transporte elektrischer Strom. Diese Rohre (früher hießen Führer) bestehen auf jeden Fall aus elektrisch leitfähigem Material, mit oder ohne elektrisch isolierendem Material drumherum Mantel. Im letzteren Fall kann eine Leitung auch aus mehreren Adern aus elektrisch leitfähigem Material bestehen (Venen) wobei jeder Kern einzeln elektrisch von anderen Kernen isoliert ist und das Ganze von einem Mantel umgeben ist.

Es kann unterschieden werden zwischen isolierten elektrischen Leitungen im Kabelkanal und Kabel (letztere bestehen in der Regel aus einem Verbund mehrerer isolierter Adern) und Freileitungen, nicht isolierte Drähte, die oberirdisch an Masten oder Masten aufgehängt sind, wie sie in Hochspannungsnetze.

Die meisten Stromleitungen in Hausinstallationen haben zwei oder drei Venen. Bei zwei Kernen sind dies die Phase (braune Isolierung) und die neutral (blaue Isolierung). Rohre mit drei Kernen sind zusätzlich mit a Erdungskabel (gelb/grüne Isolierung).

Stromleitungen (Drehspannung) enthalten in der Regel drei, vier bzw. fünf Leiter: die drei Phasen; die drei Phasen und die Null; und die drei Phasen, die Null und Masse.

Kabel, die zur Verlegung im Erdreich geeignet sind, sind mit einem Erdungsschirm versehen. Diese sogenannten Erdungskabel enthalten ein verzinktes Stahldrahtgeflecht oder einen Bleimantel direkt unter dem Außenmantel. Der Erdungsschirm dient neben dem Schutz auch als Erdleiter.

Eigenschaften

• Das Überschneidung des Leiters bestimmt die maximal zulässige Stromstärke. Der Querschnitt wird in mm² und nicht in mm angegeben. Der Begriff "Querschnitt" ist also der Querschnittsfläche und nicht der durchmesser.
• Der Isolationswert der Jacke bestimmt die maximal zulässige Toelaat elektrische Spannung.
• Wenn ein Rohr flexibel sein muss, muss der Kern (Vene) mehrerer Litzenleiter (litze).

Leitfaden zur Materialauswahl

Für die Stromleitungen kann grundsätzlich jedes leitfähige Material verwendet werden, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Aluminium. In der Praxis wird für diese Rohre jedoch fast immer blankes Kupfer verwendet, das meist als Elektrolytkupfer bezeichnet wird. Diese Kupfersorte wird elektrolytisch gewonnen und auf einen Kupfergehalt von 99,95 % veredelt. Dieser hohe Kupferanteil ist notwendig, da auch geringe Verunreinigungen elektrische Leitfähigkeit dieses Materials stark. Denn jeder Dirigent hat eine bestimmte elektrischer Wiederstand Wärme wird erzeugt, wenn Strom fließt und Spannungsverluste über die Leitung auftreten. Diese Verluste müssen natürlich so gering wie möglich gehalten werden.

Materialwahl Isolierung

Da Stromkabel in Hausinstallationen mit relativ geringer elektrischer Leistung, aber auch in Supermärkten, auf Schiffen, in Fabriken oder anderen großen Installationen vorkommen, gibt es eine große Auswahl im Aderquerschnitt dieser Kabel. Je nach Einbauort und den dortigen Gegebenheiten können Sie auch aus verschiedenen Rohrtypen wählen, teilweise mit besonderen spezifischen Eigenschaften. Zum Beispiel Rohre mit Kernisolierung aus Vinyl, das sogenannte VD-Kabel, das in der Hausinstallation verwendet wird, oder VMvK-Kabel für die allgemeine Installation in Sichtweite. Zum Beispiel in Anlagen, in denen hohe Anforderungen an den Brandschutz gestellt werden, YMvK-Kabel oben.

Die Besonderheiten dieser und anderer Rohrtypen für den Einsatz in Die Niederlande finden Sie zum Beispiel in der Standardblatt NEN 3207:1990: Isolierte Hochstromrohre – Systeme zur Kennzeichnung von Rohrtypen.

Strombelastbarkeit und Stromdichte

Die beiliegende Tabelle zeigt ein Sortiment an dreiadrigen Kabeln mit Vinyl-Aderisolation von 1,5 mm² bis 400 mm² mit den entsprechenden zulässigen Strömen und Stromdichte.

Im Allgemeinen werden Leitungen mit mehr als einer Ader als Kabel bezeichnet.

Strombelastbarkeit und Stromdichte von
3-adrige Kabel mit Vinyl-Aderisolation

Überschneidung (mm²)	Zulässiger Strom (Ampere)	Stromdichte (Ampere/mm²)
1,5	19,5	13,3
2,5	27	10,8
4	36	9
6	46	7,7
10	62	6,2
16	80	5
25	105	4,2
35	125	3,6
50	155	3,1
70	195	2,8
95	235	2,5
120	270	2,3
150	310	2,1
185	345	1,9
240	385	1,6
300	425	1,4
400	490	1,2

Für einen guten Einblick in die Strombelastbarkeit ist in der nebenstehenden Grafik nur der Bereich von 1,5 mm² bis 35 mm² dargestellt. Auffallend ist, dass mit zunehmendem Leiterquerschnitt der zulässige Strom nicht im gleichen Maße ansteigt. Dies ist noch besser in der dritten Spalte der Tabelle zu sehen, die die Stromdichte dieser Leiter zeigt. Dies spiegelt sich deutlich in der Grafik wider.

Man würde erwarten, dass, wenn ein Strom von 27 Ampere auf einem 2,5 mm² Leiter erlaubt ist, ein Strom von 270 Ampere auf 25 mm² erlaubt wäre. Dies ist eindeutig nicht der Fall, wie die Tabelle zeigt.

Die in den Leitern entwickelte Wärme muss an der Außenseite des Leiters, d. h. an seinem Umfang, an die Umgebung abgegeben werden. Mit zunehmendem Querschnitt hält der Umfang des Leiters jedoch nicht mit seinem Querschnitt Schritt.

Nimmt man zum Beispiel die Querschnitte 4 mm² und 16 mm², also bei einem Flächenverhältnis von 1:4, dann ergibt sich, auf den Umfang zurückgerechnet, hier das Verhältnis ${displaystyle { frac {1}{sqrt {4}}}={ frac {1}{2}}}$. Für 10 mm² und beispielsweise 400 mm² gelten die Verhältnisse 1:40 für die Querschnitte und ${displaystyle { frac {1}{sqrt {40}}}={ frac {1}{2{sqrt {10}}}}}$ für die Umfänge. Das heißt, berechnet aus dem Rohrdurchmesser ist die Querschnittszunahme quadratisch und die Umfangszunahme linear. Mit zunehmendem Querschnitt setzt sich die Wärmeübertragung fort Leitung leicht nach oben und der Anteil der Konvektion etwas größer, damit das Ganze keine allzu dramatische Gestalt annimmt.

Stromverschiebung

Ein weiteres wichtiges Phänomen ist der Anstieg der Querschnitte. Es zeigt sich, dass die Leiter beim Transport von Wechselstrom eine gewisse Stromverschiebung erfahren. Dies wird auch als bezeichnet Hauteffekt. Stromverdrängung bedeutet, dass nicht der gesamte Leiterquerschnitt für den Stromtransport genutzt wird, sondern die Adern der Leiter weniger stark beteiligt sind. Die Eindringtiefe des Stroms beträgt bei der normalen Netzfrequenz von 50 Hz ca. 10 mm. Dieser Effekt ist daher für kleine Querschnitte kaum von Bedeutung, jedoch wird mit zunehmendem Leiterquerschnitt der Einfluss dieses Effekts größer.

Bei 400 mm² nimmt ein Kern von ca. 2,5 mm Durchmesser nicht an der Stromleitung teil, die auf den Durchmesser umgerechnet mehr als 1,2 % beträgt. Bei einem Querschnitt von 1000 mm² ist dies bereits ein Kern von ca. 15 mm² ⌀ werden inaktiv, und damit sind etwa 19% des Querschnitts inaktiv. Dies ist einer der Gründe, warum bei großen Stromein- und -ausgängen, wie z. B. in den Umspannwerken in der Region, häufig Hohlleiter für die Hauptverteilungsanlagen gewählt werden Hochspannungsnetz der Fall ist.

Rohrverluste

Am Strom ${Anzeigestil I}$ wer ist eine steuer ${Anzeigestil P}$ einer Anlage treten in den Leitungen zur und von der Anlage Verluste auf, die in zwei Kategorien eingeteilt werden können, nämlich Spannungsverluste und Leistungsverluste.

Verlustbringende Elemente

Eine an Wechselstrom angeschlossene Leitung hat neben einem Betriebswiderstand ${Anzeigestil R}$ auch eine Betriebseinführung ${Anzeigestil L}$, allgemein als Bleireaktanz bezeichnet. Beide Elemente werden gleichmäßig über das Rohr verteilt und bestimmen zusammen den Rohrverlust. Der Betriebswiderstand ${Anzeigestil R}$ einer Pfeife liefert Spannungsverluste und Leistungsverluste auf. Die Rohrreaktanz ${Displaystil X=Omega L}$ wegen der Selbstinduktivität ${Anzeigestil L}$ in Führung liefert nur Spannungsverluste auf.

Rohrelemente

Spannungsverluste

Wenn der Strom ${Anzeigestil I}$ einer Last durch ein Rohr fließt, die Spannung ${Displaystil U_{2}}$ am Ende der Leitung niedriger als die Versorgungsspannung ${Displaystil U_{1}}$. Dieser Unterschied — der Spannungsabfall ${Displaystil U_{v}}$ — kann aus den Spannungsverlusten an den ohmschen Elementen berechnet werden ${Anzeigestil R}$ und die reaktiven Komponenten ${Anzeigestil X}$.

Ersatzplan

Besteht die Last hauptsächlich aus Motoren, Gasentladungslampen oder anderen induktiven Geräten, besteht ein Phasenverschiebung${Anzeigestil Varphi }$ in der Installation vorhanden, wo der Strom ${Anzeigestil I}$ ist relativ zur Spannung verschoben. Der Spannungsabfall am Betriebswiderstand ${Anzeigestil R}$ ist ${Displaystil U_{vR}=IR}$, und der Spannungsabfall über der Betriebsinduktivität ${Anzeigestil X}$ ist ${Displaystil U_{vX}=IX}$. Vektoriell gesehen (siehe Diagramm) verläuft ${Anzeigestil IR}$ neben ${Anzeigestil I}$, und Zustand ${Displaystil IX}$ senkrecht dazu. Zwischen den Spannungen ${Displaystil U_{1}}$ und ${Displaystil U_{2}}$ ist der Winkel ${Anzeigestil Theta}$ vorhanden, der in der Regel kleiner als 6° ist und daher vernachlässigt werden kann, da cos ${Displaystil Theta =0{,}9945ungefähr 1}$.

Vernachlässigung ${Anzeigestil Theta}$ folgt für den gesamten Spannungsabfall über der Leitung bei a induktiv MwSt:

${displaystyle U_{v}=IRcos varphi IXsin varphi }$

Wenn die Steuer kapazitiv ist, wird der Spannungsabfall zu:

${displaystyle U_{v}=IRcos varphi -IXsin varphi }$

Spezifische Werte von YMvK mb Kabel

Überschneidung (mm²)	(Maximal) Leiterwiderstand ${Anzeigestil R}$ (Ω/km)	Rohrreaktanz ${Anzeigestil L}$ (mH/km)	Umgewandelt Rohrreaktanz ${Anzeigestil X}$ (Ω/km)
1,5	12,1	0,33	0,10
2,5	7,4	0,31	0,11
4	4,6	0,3	0,094
6	3,1	0,28	0,088
10	1,8	0,26	0,082
16	1,15	0,25	0,079
25	0,73	0,24	0,075
35	0,52	0,23	0,072
50	0,38	0,20	0,063
70	0,27	0,19	0,060
95	0,19	0,18	0,057
120	0,15	0,17	0,053
150	0,12	0,17	0,053
185	0,10	0,17	0,053
240	0,075	0,16	0,050

Leistungsverluste

Der Strom I verursacht eine Verlustleistung in Rohren durch Wärmeentwicklung. Fähigkeit ${Anzeigestil P}$ dass im Betriebswiderstand ${Anzeigestil R}$ entwickelt wird, wird beschrieben als: ${displaystyle P_{v}=I^{2}R}$.

Bei einer dreiphasigen Spannung sind drei Leiter vorhanden, die alle drei den Betriebswiderstand haben ${Anzeigestil R}$ damit ist die Verlustleistung dreimal größer: ${Displaystil P_{v}=3I^{2}R}$.

Bei 10-kV-Kabeln und Hochspannungsleitungen muss noch ein Element berücksichtigt werden, nämlich die Kapazität. Es stellt sich heraus, dass zwischen den Leitern selbst und zwischen den Leitern und Erde eine gewisse Kapazität ${Anzeigestil C}$ vorhanden ist, der einen sogenannten Ladestrom bereitstellt. Durch diesen Ladestrom erhöht sich der Betriebsstrom, wodurch Leistungsverluste und Spannungsverluste steigen. Die Größe der Kapazität und des Ladestroms hängt von der Länge des Kabels, dem gegenseitigen Abstand der Leiter und dem Abstand zur Erde ab. Die Berechnungsformeln sind recht kompliziert.

Bei Hochspannungsleitungen ist ein zusätzliches Element am Werk, das Verluste verursacht, nämlich der Isolationswiderstand. Der Isolationswiderstand ${displaystyle R_{A}}$ (A als Abkürzung für „Erde“) bedeutet, dass zwischen Leiter und Erde kein unendlich hoher Widerstand besteht, sondern dass durch die Isolatoren je nach äußeren Bedingungen wie Feuchtigkeit und Schmutz eine gewisse Leitung auftritt und kleine Ableitströme gebildet, was zu einem Leistungsverlust führt.

Hochspannungs-Ersatzschema

Darüber hinaus tritt bei Spannungen über 100 kV ein Phänomen auf, das als „Corona“ bezeichnet wird. Korona entsteht, weil die Luft um einen Leiter herum ionisiert (durchbricht), sobald die Feldstärke um diesen Leiter die Durchschlagsgrenze von Luft überschreitet, was ebenfalls Verluste verursacht. Die Gesamtverlustleistung, die durch das Vorhandensein von ${displaystyle R_{A}}$ ist ${Displaystil P_{A}=U^{2}/R_{A}}$. Für diesen Verlust wird üblicherweise ein Durchschnitt von 1 kW/km verwendet.

Beispiele

Über ein YMvKKabel, mit einer Länge von 300 Metern, wird eine dreiphasige Installation von 400 V mit einem Strom von 150 A versorgt. Der Leistungsfaktor (cos φ) dieser Installation beträgt 0,85 und der Kabelquerschnitt beträgt 70 mm². Der Spannungsabfall über der Leitung ergibt sich dann hauptsächlich aus dem ohmschen Widerstand:

${displaystyle U_{v}=IR{sqrt {3}}cos varphi }$

Mit den Daten aus der Tabelle für das YMvK-Kabel folgt:

${displaystyle U_{v}=150 imes 0{,}3 imes 0{,}27 imes 0{,}85{sqrt {3}}=17{,}9,{ ext{V}}}$

Dies entspricht 17,9/400% 4,5% der Netzspannung, was gerade ein akzeptabler Wert ist, da der maximale Grenzwert 5% beträgt.

Bei einem Strom von 300 A und einem Querschnitt von 185 mm² ist die Netzreaktanz Teil des Spannungsabfalls. Schon seit

${displaystyle sin varphi ={sqrt {1-cos ^{2}varphi}}={sqrt {1-0{,}85^{2}}}=0{,}53}$,

der Spannungsabfall wird:

${displaystyle U_{v}=IRcos varphi IXsin varphi =300(0{,}03 imes 0{,}85 0{,}0159 imes 0{,}53){sqrt {3}}=17{,}7, { ext{V}}(=4{,}4/$

Wird der induktive Anteil vernachlässigt, dann ${displaystyle U_{v}=13{,}2,{ ext{V}}}$, das sind nur 3,3% der Netzspannung.

Die Verlustleistung im 185mm² Kabel beträgt:

${displaystyle P_{v}=3,I^{2}R=3imes 300^{2}imes 0{,}03=8{,}1,{ ext{kW}}}$

Der Stromverbrauch der Anlage beträgt:

${displaystyle P_{w}=UI{sqrt {3}}cos varphi =400imes 300imes {sqrt {3}}imes 0,85=176{,}7,{ ext{kW}}}$

Die Verlustleistung in der Pipeline beträgt somit 8,1/1,77 4,6%. Über ein Jahr gerechnet bei einem Lastfaktor von 75 % und einer Ladezeit von 8 Stunden beträgt die im Kabel aufgenommene Energie ca. 0,75 × 8 × 365 × 8,1 = 17,740 kWh.

In Niederspannungsnetzen 230/400 V muss der Blindanteil des Spannungsabfalls kaum berücksichtigt werden, da dies nur bei einem Durchmesser von 120 mm möglich ist.² und höher wird eine Rolle spielen. Das heißt, für den Spannungsabfall in Niederspannungsnetzen für 230V schreibt man in der Regel: ${displaystyle U_{v}=IRcos varphi }$ und für die Drehspannung 400 V: ${displaystyle U_{v}=IR{sqrt {3}}cos varphi }$. Dies bedeutet auch, dass sich der Spannungsabfall für Rohre bis 120 mm² nicht ändert, wenn eine Installation mit cos . ausgestattet ist φ-Vergütung.

Bei Kabeln ab 10 kV bis 95 mm² der Anteil von X werden vernachlässigt, aber bei Freileitungen muss der Blindanteil aufgrund seiner Konstruktion und seines Querschnitts immer in die Berechnungen einbezogen werden und gilt einfach:

${displaystyle U_{v}=I(Rcos varphi pm Xsin varphi ){sqrt {3}}}$

Hersteller

Einige große Stromleitungshersteller:

• Draka (erworben 2011 von 2011 Prysmian)
• Niederländische Kabelfabrik (1999 in die Draka-Gruppe eingegliedert und 2000 übernommen von Pirelli Cavi)
• Nexans
• Pirelli Cavi (von Pirelli im Jahr 2005 verkauft an 2005 Goldman Sachs, neuer Name: Prysmian)
• Prysmische Gruppe (ab 2011 das größte Kabelunternehmen der Welt)
• Twentsche Kabelfabrik (TKF)

Siehe auch

• Netz
• Instrumentenkabel
• Installationskabel

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